王壯壯 李沛鴻 李斌

（1.江西理工大學土木與測繪工程學院 江西贛州 341000；2.江西省合眾勘測規(guī)劃有限公司 江西南昌 330095）

1 引言

隨著5G 時代來臨，人工智能、計算機視覺等一些技術的迅猛發(fā)展，為智慧城市、數(shù)字城市提供強有力的支持。城市三維模型作為智慧城市、數(shù)字城市的基礎部分，可以表達豐富的空間地理信息，且對城市規(guī)劃、建設、管理和應急響應有著極其重要的作用[1]。根據(jù)建模方式的不同，獲取三維模型的方式主要有以下三種。傳統(tǒng)三維建模以3DsMAX 為平臺，通過地形圖數(shù)據(jù)結(jié)合高程數(shù)據(jù)，確定建筑物外形輪廓線，再將拍攝的照片進行紋理映射，生成三維模型。該建模方法耗時耗力[2-3]，且模型成果不能添加地理坐標，缺少地理信息；三維激光掃描技術也可以獲取三維建模，其原理是利用激光測距對建筑物表面進行掃描，生成大量的三維激光點云數(shù)據(jù)，通過點云拼接、去噪、采樣、封裝、紋理映射等步驟，生成精細的三維模型[4]。該建模方法不適合大場景的三維建模，且建模成本高，效率低。傾斜攝影測量是通過無人機拍攝傾斜影像來快速獲取大場景三維模型，該建模方法成本低、滿足測繪級精度，自動化程度高，可以提供豐富的地理信息[5]。綜上所述，本文采用傾斜攝影測量的方法進行城市三維建模。三維建模優(yōu)勢明顯，但直接生產(chǎn)出的模型比較粗糙，甚至會有缺陷，因此，要實現(xiàn)精細化建模，需要對模型進行修飾，這樣三維模型應用的領域會更加的廣泛。

2 傾斜攝影測量三維建模關鍵技術及工作流程

三維建模的關鍵技術包括數(shù)據(jù)預處理、空中三角測量、多視影像匹配、紋理映射等[6]。數(shù)據(jù)預處理指的是對影像數(shù)據(jù)、POS 數(shù)據(jù)、像控點數(shù)據(jù)進行預處理。影像數(shù)據(jù)預處理指的是由于無法避免的因素，影像會出現(xiàn)過度曝光及云霧遮擋等情況，要對影像進行勻光勻色處理以及畸變差改正[7]；POS 數(shù)據(jù)預處理指的是將POS 數(shù)據(jù)記錄的多余信息刪除，僅留下坐標信息以及三個姿態(tài)角信息。另外，POS 數(shù)據(jù)記錄的是WGS-84 坐標系下的成果，需要進行坐標轉(zhuǎn)換。像控點數(shù)據(jù)預處理指的是對像控點測量原始文件進行質(zhì)量檢查，檢查是否有浮動解，然后將兩次測量值求平均，最后轉(zhuǎn)換文件格式?？罩腥菧y量指的是依靠少量外業(yè)實測的控制點，按照精密的數(shù)學模型，解算出作業(yè)過程所需全部控制點以及外方位元素。影像匹配指的是將兩幅或多幅重疊的影像按照一定的算法自動尋找確定同名像點的過程[8]。紋理映射指的是建立三維模型表面與二維影像空間像素坐標對應關系的過程[9]。

實景三維建模工作流程如圖1 所示，包括像控點布設，影像數(shù)據(jù)獲取，數(shù)據(jù)預處理，空中三角測量，多視影像匹配，構建TIN 網(wǎng)，紋理映射，三維模型生成。然后人工對模型進行再加工，修正模型的紋理錯誤如缺失、模糊以及其他模型缺陷如水面漏洞，路面不平整，模型漂浮物等問題，獲取精細化三維模型。

3 項目實例

3.1 像控點布設

圖1 實景三維建模流程

本次測區(qū)在江西省南昌市某地區(qū)，根據(jù)測區(qū)地形均勻布設像控點，像控點標志以矩形裁去一個三角形為特征在硬化路面涂漆，如圖2(a)所示。對于非硬化路面需要布設像控點時，像控點標志是將矩形布剪去一個三角形，用釘子固定在路面，如圖2(b)所示。此時，像控點應布設在遠離人員活動的地方，避免人為原因損壞像控點。此外，本次測區(qū)屬于城區(qū)位置，人行橫道線也可以作為像控點標志，如圖2(c)所示。像控點測量利用JXCORS 進行實測，并連續(xù)測量兩次。上交成果包括現(xiàn)場測量像控點位置照片，原始數(shù)據(jù)記錄文件等。

圖2 像控點標志

3.2 影像數(shù)據(jù)獲取

無人機采用垂直起降固定翼無人機零度智控ZT-3VS，搭載SONY ILCE-5100 五鏡頭相機進行飛行作業(yè)。共采集五組影像數(shù)據(jù)，共計7145 張影像，無人機航空攝影參數(shù)如表1 所示。

3.3 三維模型制作

三維模型的制作過程：

表1 無人機航空攝影參數(shù)

（1）對影像數(shù)據(jù)、POS 數(shù)據(jù)、像控點數(shù)據(jù)進行預處理，轉(zhuǎn)換文件格式。

（2）像片刺點，與實際像控點位置誤差不超過兩個像素。

（3）提交空中三角測量成果，精確求得每張像片的外方位元素，并且生成密集匹配點云。

（4）利用空三成果與密集匹配點云結(jié)合構建TIN 網(wǎng)。

（5）利用原始影像自動紋理映射生成三維模型。

（6）人工進行模型修飾，獲取精細化三維模型。

圖3 與圖4 為三維模型街道效果圖與房屋效果圖。

圖3 街道效果圖

圖4 房屋效果圖

4 模型修飾

通過實景三維建模軟件直接生產(chǎn)出的模型，由于受軟件的算法影響、影像匹配錯誤或者無人機在空中遭遇氣流姿態(tài)發(fā)生變化影響[10]，就會出現(xiàn)建筑物變形，模型漂浮物，廣告牌不完整，水面漏洞，道路旁的樹木與路燈模型效果不好等現(xiàn)象。要實現(xiàn)三維模型的精修，較常用的軟件平臺為武漢天際航的DP Modeler 單體化軟件，該軟件平臺可以對建模軟件如ContextCapture 自動建模的成果進行單體化精修，懸浮物刪除等工作[11]。其單體化工作流程圖如圖5 所示。

圖5 DP Modeler 單體化工作流程圖

DP Modeler 精修模型質(zhì)量好，但其操作過程相對復雜，效率低、勞動量大。本文采用武漢大勢智慧的模方軟件對模型進行修飾，模方軟件操作步驟簡單，可以進行多機并行任務處理，也可以聯(lián)動PS 對當前作業(yè)界面進行圖像處理。模方進行實驗時，需要提供OSGB 格式模型數(shù)據(jù)以及與之相對應的OBJ 格式模型數(shù)據(jù)。

4.1 模型區(qū)域選擇

建模平臺一般生產(chǎn)出OSGB 格式模型數(shù)據(jù)，要對模型進行修飾，需準備好OBJ 格式模型數(shù)據(jù)。首先在CASS3D 中加載三維模型數(shù)據(jù)并用復合線畫出需要修飾的區(qū)域，如水面、漂浮物、廣告牌等等。然后將修飾區(qū)域圖形文件導入ArcGIS 中，與具有瓦片編號信息的建模范圍進行相交分析，結(jié)果可得到需要進行模型修復的瓦片編號，導出瓦片編號到TXT 文件。重新提交OBJ 格式建模，在建模內(nèi)容選擇需要建模的瓦片時，直接加載有瓦片編號的TXT 文件，結(jié)果可得到需修飾的OBJ 格式模型數(shù)據(jù)。

4.2 修飾操作

打開模方軟件，新建工程，導入OSGB 格式模型數(shù)據(jù)以及OBJ 格式模型數(shù)據(jù)，設置偏移量，OSGB 模型數(shù)據(jù)與OBJ 模型數(shù)據(jù)偏移量需一致，最后進行空三影像設置。以水面修復為例，水面修復工作完成后，若水面產(chǎn)生較大色差，可聯(lián)動PS 程序，對當前界面進行圖像處理，直接保存即可回到模方界面，修復結(jié)果如圖6 所示。水面修復前要做好手動備份，避免操作過程中若出現(xiàn)水面修復失敗，實驗數(shù)據(jù)也被修改。

圖6 水面漏洞修復

修復作業(yè)完成后，導出模型數(shù)據(jù)，然后將原始模型數(shù)據(jù)進行替換，便可得到精細化三維模型。由修飾結(jié)果可知，修飾后的模型更加符合現(xiàn)實世界，看起來更加美觀。

5 結(jié)束語

利用傾斜攝影測量獲取大場景的三維模型是目前比較成熟的手段，相對手工建模方式，自動化程度高、效率提升、節(jié)約成本。三維模型成果可為智慧城市、數(shù)字城市提供基礎支撐。本文首先利用傾斜攝影測量構建實景三維模型，然后利用大勢智慧模方平臺對模型進行修飾，獲取精細化三維模型。精細化三維模型不僅適用于大比例尺地圖測繪、立面測量，更能滿足人們的多種需要，如用于旅游景區(qū)演示，與VR 技術相結(jié)合瀏覽等，進一步擴大了三維模型的應用空間。目前，模型修飾不論依托于何種平臺，對人工依賴性較強。未來，模型修飾與人工智能相結(jié)合，將實現(xiàn)模型修飾的全自動化。